半导体装置的制造方法及激光退火装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种半导体装置的制造方法及激光退火装置，其能够实现高品质的退火。该半导体装置的制造方法将照射条件不同的两种激光脉冲照射到具有高浓度层（57a）和低浓度层（56a）的半导体基板（50）的表面，以使高浓度层和低浓度层均被活性化，所述高浓度层在所述基板的较浅的区域以高浓度注入有杂质且呈非晶化状态，所述低浓度层在比高浓度层更深的区域以低浓度注入有杂质。通过第1激光脉冲（LP1），不熔融高浓度层就使低浓度层活性化，并且使具有比第1激光脉冲的峰值功率更高的峰值功率和较短的脉冲宽度的第2激光脉冲（LP2）入射，而使高浓度层熔融而被活性化。从而实现高浓度层的活性化和低浓度层的活性化，表面不会变粗糙。
【专利说明】半导体装置的制造方法及激光退火装置
【技术领域】
[0001]本申请主张基于2012年6月13日申请的日本专利申请第2012-133355号、2012年8月8日申请的日本专利申请第2012-176436号的优先权。其申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
[0002]本发明涉及一种通过激光束的照射而使得注入半导体基板中的杂质活性化的半导体装置的制造方法及激光退火装置。
【背景技术】
[0003]专利文献I中公开了一种半导体装置的制造方法，该方法为通过离子注入将杂质导入半导体基板之后，照射激光束，使杂质活性化，从而形成电极层以及场终止层。专利文献I中所记载的技术中，在制作半导体元件的表面结构之后，使基板变薄。其后，对背面进行离子注入，利用2台激光振荡器来照射脉冲激光束。从2台激光振荡器射出的激光脉冲的时间差设定为600ns以下。
[0004]具体而言，从n_型硅基板的背面侧，向场终止层形成预定区域离子注入例如磷离子。这时，将剂量设为IXlO14cnT2以下，以使场终止层的峰值浓度成为5X1018cm_3以下。接着，将剂量设为5X1016cnT2以下，分别向P+型集电极层形成预定区域以及n+型阴极层形成预定区域注入例如硼离子及磷离子，以使P+型集电极层以及n+型阴极层的峰值浓度成为IXlO21Cm-3 以下。
[0005]可知这种以高浓度注入离子而得的n+型阴极层等，因硅基板的结晶性遭到破坏而被非晶化。在专利文献I中所记载的半导体装置的制造方法中，通过激光照射，进行基于固相扩散的缺陷恢复、以及被注入到自激光照射面(基板背面)超过I U m深度的较深部分的杂质的活性化。有时无法确保充分的温度上升及加热时间，导致杂质的活性化不充分。如果为了充分地进行较深部分的活性化而提高所照射激光束的脉冲能量密度，则有时熔融深度会变得过深。如果熔融至较深的部分，则深度方向上的杂质浓度分布发生变化，有时得不到按照设计的特性。另外，产生基板表面的皲裂程度变得严重等不理想的情况。
[0006]曾提出一种以半导体基板不熔融的范围内的脉冲能量密度，照射脉冲激光束来进行激光退火的技术(例如，参照专利文献2)。利用该方法，难以使杂质被以高浓度离子注入而非晶化的区域的结晶性充分恢复、且难以使被注入的杂质充分活性化。
[0007]专利文献1:日本特开2010-171057号公报
[0008]专利文献2:日本特开2009-32858号公报
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种使被注入较深区域的杂质充分活性化且能够实现高品质退火的半导体装置的制造方法及激光退火装置。
[0010]根据本发明的一观点，提供一种半导体装置的制造方法，该半导体装置的制造方法为将照射条件不同的两种激光脉冲照射到具有高浓度层和低浓度层的半导体基板表面，以使高浓度层和低浓度层全部活性化的工序，其中所述高浓度层在半导体基板的较浅区域以相对较高浓度注入有杂质且呈非晶化状态，所述低浓度层在比所述高浓度层更深的区域以相对较低浓度注入有杂质，所述半导体装置的制造方法具有--第I工序，为了不使非晶化状态的高浓度层熔融就使低浓度层活性化，照射低峰值且脉冲宽度较长的第I激光脉冲；及第2工序，为了使非晶化状态的高浓度层熔融而活性化，照射高峰值且脉冲宽度较短的第2激光脉冲。
[0011]根据本发明，能够抑制表面粗糙度且能够使得高浓度区域和低浓度区域这两个区域活性化。
[0012]根据本发明的另一观点，提供一种激光退火装置，该激光退火装置具有:
[0013]第I激光振荡器，其射出脉冲激光束；
[0014]第2激光振荡器,其射出脉冲激光束，且所述第2激光振荡器射出的脉冲激光束的脉冲宽度比从所述第I激光振荡器射出的脉冲激光束的脉冲宽度短，其峰值功率比从所述第I激光振荡器射出的脉冲激光束的峰值功率大；
[0015]传播光学系统，其使从所述第I激光振荡器射出的脉冲激光束和从所述第2激光振荡器射出的脉冲激光束入射到作为退火对象的半导体基板的表面的相同的区域；及
[0016]控制装置，其对所述第I激光振荡器和所述第2激光振荡器的激光脉冲的射出定时进行控制。
[0017]根据本发明，能够抑制 表面粗糙度且能够使高浓度区域和低浓度区域这两个区域活性化。
[0018]发明效果
[0019]能够抑制表面粗糙度的增大。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为基于实施例的激光退火装置的示意图。
[0021]图2A为利用基于实施例的方法而制作的IGBT的剖面图，图2B为在基于实施例的激光退火装置中处于退火阶段的IGBT的剖面图。
[0022]图3A为表示基于实施例的激光退火装置中入射到半导体基板的激光脉冲的脉冲波形及入射定时的曲线图，图3B为半导体基板表面上的激光脉冲入射区域的平面图。图3C为激光脉冲入射区域的其他结构例的平面图。
[0023]图4A为表示作为第I模拟对象的激光脉冲的脉冲波形及入射定时的曲线图，图4B为表示半导体基板的熔融深度的时间变化的曲线图，图4C为表示半导体基板的各深度位置的温度的时间变化的曲线图。
[0024]图5A为表示作为第2模拟对象的激光脉冲的脉冲波形及入射定时的曲线图，图5B为表示半导体基板的熔融深度的时间变动的曲线图，图5C为表示半导体基板的各深度位置的温度的时间变化的曲线图。
[0025]图6A为表示作为第3模拟对象的激光脉冲的脉冲波形及入射定时的曲线图，图6B为表示半导体基板的熔融深度的时间变动的曲线图，图6C为表示半导体基板的各深度位置的温度的时间变化的曲线图。
[0026]图7A为表示作为第4模拟对象的激光脉冲的脉冲波形及入射定时的曲线图，图7B为表示半导体基板的熔融深度的时间变动的曲线图，图7C为表示半导体基板的各深度位置的温度的时间变化的曲线图。
[0027]图8A为表示利用Nd = YLF的2倍高次谐波进行激光退火时的半导体基板表面粗糙度测定结果的曲线图，图8B为表示利用波长为808nm的半导体激光进行激光退火时的半导体基板表面粗糙度的测定结果的曲线图。
[0028]图9A及图9B为表示分别在功率密度为390kW/cm2以及330kW/cm2的条件下，对半导体基板进行退火时的基板的温度变化模拟结果的曲线图。
[0029]图10为表示半导体基板的深度方向上的杂质浓度分布的一例的曲线图。
[0030]图11为表示对硅晶片照射第I激光脉冲时的硅晶片的达到温度与脉冲宽度之间关系的模拟结果的曲线图。
[0031]图12为表示深度方向的杂质浓度分布和退火后载流子浓度分布的曲线图。
[0032]图13A为离子注入有磷的硅晶片的表层部的剖面TEM图像，图13B为照射第2激光脉冲之后的硅晶片表层部的剖面TEM图像，图13C为照射第I激光脉冲之后的硅晶片表层部的剖面TEM图像。
[0033]图14A为表示利用基于实施例的方法进行激光退火时激光脉冲的时间波形的一例的曲线图，图14B为对硅晶片照射图14A的第I及第2激光脉冲时的硅晶片的温度变化模拟结果的曲线图，图14C为表示硅晶片的熔融深度的时间变化模拟结果的曲线图。
[0034]图15为表示从第I激光脉冲的下降时刻到第2激光脉冲的上升时刻的经过时间(延迟时间)和使硅晶片熔融所需的第2激光脉冲的通量之间的关系的曲线图。
[0035]图16为表示活性化退火之前的杂质浓度分布、及活性化退火之后的载流子浓度分布测定结果的曲线图。
[0036]图17为表示活性化退火之前的杂质浓度分布、及活性化退火之后的载流子浓度分布测定结果的曲线图。
[0037]图18A为表示对半导体晶片的整面进行活性化退火时的脉冲激光束的扫描路径的平面图，图18B及图18C为表示利用连续波激光束和脉冲激光束进行退火时的激光入射区域的平面图，及入射于半导体晶片的I点上的激光能量的时间变化的曲线图。
[0038]图中:20_控制装置，21-半导体激光振荡器(第I激光振荡器)，22-衰减器，23-光束扩展器，24-均化器,25-分色镜,26-聚光透镜,27-传播光学系统,31-固体激光振荡器(第2激光振荡器)，32-衰减器，33-光束扩展器，34-均化器，35-折射镜，40-激光脉冲的入射区域，41-载物台，50-半导体基板，50T-第I面，50B-第2面，51-基极区，52-发射极区，53-栅电极，54-栅极绝缘膜，55-发射极电极，56-缓冲层，56a_较深区域(低浓度层)，57-集电极层，57a-表层部(高浓度层)，58-集电极，LPl-第I激光脉冲，LP2-第2激光脉冲，60A-第I入射区域，60B-第2入射区域。
【具体实施方式】
[0039]在说明实施例之前，对本申请发明人进行的评价实验结果进行说明。通过对由单晶硅构成的基板的表层部进行硼的离子注入，形成厚度为0.2 y m?0.25 y m的硼注入层。硼注入层被非晶化。通过使脉冲激光束入射到表层部非晶化后的基板，进行了表层部的再结晶化和硼的活性化。[0040]制作出脉冲激光束的照射条件不同的两个试料I及试料2。试料I的脉冲激光束的入射条件如同下述。
[0041 ] ?激光种类Nd: YLF激光的2倍高次谐波
[0042]?入射脉冲数双脉冲
[0043]?第2次发射的脉冲相对于第1次发射的脉冲的延迟时间300~700ns
[0044]?脉冲宽度100~200ns
[0045]试料2的脉冲激光束的入射条件如同下述。
[0046]?激光种类波长为808nm的QCW半导体激光
[0047]?入射脉冲数单脉冲
[0048]?脉冲宽度10~20 ii s
[0049]试料I的激光照射条件与试料2的激光照射条件的最大的区别点在于脉冲宽度的不同。具体而言，对试料2进行照射的脉冲激光束的脉冲宽度为对试料I进行照射的脉冲激光束的脉冲宽度的约100倍。如果两者的脉冲能量相等，则意味着对试料I进行照射的脉冲激光束的峰值功率密度为对试料2进行照射的脉冲激光束的峰值功率密度的约100倍。
[0050]一般，脉冲宽度短且峰值功率密度大的脉冲激光束适用于只是对基板的极浅的表层部进行加热。与此相对，如果使用脉冲宽度长且峰值功率密度小的脉冲激光束，则导入基板的热量容易传导至较深的区域，因此适用于对较深的区域进行加热。
[0051]图8A及图SB分别表示试料I及试料2的激光退火之后的表面粗糙度。横轴用单位“ J/cm2”表示入射到基板的脉冲激光束的脉冲能量密度，纵轴用单位“nm”表示表面的均方根粗糙度(Rq)。
[0052]在图8A中脉冲能量密度为1.5J/cm2以下的区域，以及图8B中脉冲能量密度为
4.5J/cm2以下的区域中，不产生基板表面的熔融及再结晶。图8A中，当脉冲能量密度为2J/cm2、图8B中脉冲能量密度为4.6J/cm2时，表面粗糙度急剧增大。这是因为基板表面的非晶层暂时熔融并再结晶。将非晶层熔融的脉冲能量密度的下限值称作“熔融阈值”。
[0053]如图8A所示，如果脉冲能量密度大于熔融阈值，表面粗糙度就变小。当脉冲能量密度为熔融阈值的时候，可以认为在表面内混杂有充分熔融的区域和熔融不充分的区域。因此再结晶化后的表面粗糙度变大。如果脉冲能量密度大于熔融阈值，基板表面大致均匀地熔融，则再结晶化后的表面粗糙度变小。
[0054]图SB中示出的试料2中，即使脉冲能量密度超过熔融阈值，与试料I的情况相比，表面粗糙度的降低幅度小。之所以表面粗糙度的降低幅度小，可以认为是因为即使增大脉冲能量密度，在基板面内方向上并没有均匀地熔融。之所以不发生均匀的熔融，可以认为是因为液体和固体对波长为808nm的光的吸收有很大不同，先熔融且成为液体的部分对光的吸收率变大，导致温度局部上升。从这些见解得知，通过使表面熔融而进行退火，但是更优选使其急剧熔融。
[0055]为了使得注入到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的基板背面的杂质(掺杂剂)活性化，希望将深度到I~5 iim左右的区域加热至1200K以上。通过在试料I的退火中使用的固体激光，很难充分加热如此深的区域。在加热较深区域时，使用在试料2的退火中使用的脉冲宽度较长的QCW半导体激光是有效的。然而如果使用半导体激光，如图SB所示，基板表面粗糙度就容易变大。[0056]图9A及图9B表示在基板表面的功率密度分别成为390kW/cm2以及330kW/cm2的条件下，利用半导体激光来进行退火时基板温度的时间变动的模拟结果。横轴用单位“ U s”来表示经过时间，纵轴用单位“K”来表示温度。图中实线上附加的数值表示的是距基板表面的深度。脉冲激光束的脉冲宽度设为15 U S。
[0057]图9A示出的例子中，以在激光脉冲开始入射时刻起经过15ii s后的时点，使得5 U m深度位置的温度成为1200K以上的方式，决定激光脉冲的功率密度。此时，比3 y m深度更浅的区域的温度超过非晶硅的熔点(1300K?1430K)。因此导致基板表面熔融。若表面暂时熔融，则如图8B所示，再结晶化后的表面粗糙度增大。
[0058]图9B示出的例子中，以在激光脉冲开始入射时点起经过15 u s的时点，基板表面的温度不超过非晶硅的熔点的方式，决定激光脉冲的功率密度。在该条件下，比3 ii m的深度更深区域的温度不会达到1200K。因此不能使比3 U m深度更深的区域的杂质充分地活性化。
[0059]以下说明的实施例能够抑制基板表面粗糙度的增大，并且能够使深度5 ii m程度的较深区域的杂质充分活性化。如果在照射激光侧的相反侧形成有电路，则需要充分考虑将电路侧温度上升保持在一定温度以下，关于较深的区域(例如3 y m等)，需要充分考虑要达到一定的活性化温度，关于较浅的区域(例如Ium以下等)，需要考虑熔融的必要性。这样关于为尽量满足这些条件的激光条件，通过模拟、实验逐步进行验证。
[0060]图1表示基于实施例的激光退火装置的示意图。半导体激光振荡器(第I激光振荡器)21射出例如波长为808nm的QCW激光束。另外，也可以使用射出波长为950nm以下的脉冲激光束的半导体激光振荡器。固体激光振荡器(第2激光振荡器)31射出绿色波长域的脉冲激光束。固体激光振荡器31可使用例如射出二次谐波(second-harmonic generation)的Nd: YAG激光、Nd: YLF激光、Nd: YVO4激光等。
[0061]从半导体激光振荡器21射出的脉冲激光束以及从固体激光振荡器31射出的脉冲激光束，经由传播光学系统27而入射到作为退火对象的半导体基板50。从半导体激光振荡器21射出的脉冲激光束和从固体激光振荡器31射出的脉冲激光束入射到半导体基板50的表面的相同的区域。
[0062]接着，对传播光学系统27的结构及作用进行说明。从半导体激光振荡器21射出的脉冲激光束经由衰减器22、光束扩展器23、均化器24、分色镜25以及聚光透镜26之后，入射到半导体基板50。
[0063]从固体激光振荡器31射出的脉冲激光束经由衰减器32、光束扩展器33、均化器34、折射镜35、分色镜25以及聚光透镜26之后，入射于半导体基板50。
[0064]光束扩展器23、33对所入射的脉冲激光束进行准直，并且扩大射束束径。均化器24,34以及聚光透镜26将半导体基板50的表面上的射束剖面整形为长条形状，并且使射束剖面内的光强度分布均匀化。从半导体激光振荡器21射出的脉冲激光束和从固体激光振荡器31射出的脉冲激光束在半导体基板50的表面上入射到大致相同的长条区域。
[0065]半导体基板50保持在载物台41上。定义XYZ直角坐标系，将平行于半导体基板50的表面的面作为XY面，将半导体基板50的表面的法线方向作为Z方向。控制装置20对半导体激光振荡器21、固体激光振荡器31以及载物台41进行控制。载物台41受到来自控制装置20的控制，使半导体基板50向X方向以及Y方向移动。[0066]图2A表示作为利用基于实施例的方法来制造出的半导体装置的例子的，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的剖面图。IGBT是通过在由n型硅构成的半导体基板50的一面(以下称作“第I面”)50T上形成发射极和栅极，在另一面(以下称作“第2面”)50B形成集电极而被制造出来。形成发射极和栅极的面结构利用和一般MOSFET制作工序相同的工序制作出。例如，如图2A所示，在半导体基板50的第I面50T的表层部，配置有p型基极区51、n型发射极区52、栅电极53、栅极绝缘膜54以及发射极电极55。通过栅极-发射极之间的电压能够进行电流的开闭控制。
[0067]在半导体基板50的第2面50B的表层部形成有p型集电极层57以及低浓度的n型缓冲层56。缓冲层56配置在比集电极层57更深的区域。集电极层57以及缓冲层56通过分别离子注入作为杂质的例如硼以及磷并进行活性化退火而形成。该活性化退火中适用图1中示出的激光退火装置。集电极58在活性化退火之后形成于集电极层57的表面。
[0068]从第2面至集电极层57与缓冲层56之间的界面为止的深度例如约为0.3 ii m。从第2面到缓冲层56的最深位置的深度，例如在I y m?5 ii m的范围内。
[0069]图2B中示出处于激光退火阶段的半导体基板50的剖面图。在半导体基板50的第2面50B的表层部57a离子注入有硼。在比表层部57a更深的区域56a离子注入有磷。表层部57a内的硼以及较深区域56a内的磷未活性化。表层部57a的硼浓度高于较深区域56a的磷浓度。本说明书中，将表层部57a称作“高浓度层”，将较深区域56a称作“低浓度层”。由于硼的剂量较多，因此高浓度层57a成为非晶化状态。比高浓度层57a与低浓度层56a的界面更深的区域仍保持单晶状态。在半导体基板50的第I面50T上形成有图2A中示出的元件结构。
[0070]图3A中概略地示出入射到半导体基板50 (图2B)的激光脉冲波形。图3A中，用长方形来表示脉冲波形，然而实际的脉冲波形包括脉冲的上升、衰减以及下降等部分。图3A中示出的脉冲波形的射出定时是通过控制装置20 (图1)控制半导体激光振荡器21及固体激光振荡器31而被确定的。
[0071]在时刻tl,从半导体激光振荡器21射出的第I激光脉冲LPl开始向半导体基板50入射。在时刻tl之后的时刻t2，从固体激光振荡器31射出的第2激光脉冲LP2入射到半导体基板50。第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2所入射的区域大致重叠。第2激光脉冲LP2的峰值功率高于第I激光脉冲LPl的峰值功率，第2激光脉冲LP2的脉冲宽度PW2比第I激光脉冲LPl的脉冲宽度PWl短。在时刻t3，第2激光脉冲LP2的入射结束。其后，在时刻t4，第I激光脉冲LPl的入射结束。另外，在时刻t4之后，有时也会使第2激光脉冲LP2入射。
[0072]第I激光脉冲LPl的脉冲宽度PWl例如为10 ii s以上。第2激光脉冲LP2的脉冲宽度PW2例如为Iiis以下。作为一例，脉冲宽度PWl在IOii s?30 ii s的范围内，脉冲宽度PW2在IOOns?200ns的范围内。优选将第2激光脉冲LP2的脉冲宽度PW2设为第I激光脉冲LPl的脉冲宽度PWl的1/10以下。
[0073]图3B表示半导体基板50 (图2B)的第2面50B上的激光脉冲入射区域的平面图。在半导体基板50的第2面50B (图2B)上，第I激光脉冲LPl (图3A)及第2激光脉冲LP2(图3A)入射到X方向上较长的相同的射束入射区域40。例如优选射束入射区域40的长度L及宽度Wt分别为2mm?4mm以及200 u m?400 u m。[0074]在退火过程中,在使半导体基板50 (图2B)向X方向移动的同时,使第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2 (图3A)以恒定的重复频率入射于半导体基板50。以Wo表示在第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2的重复频率的一个周期期间半导体基板50移动的距离。在时间轴上相邻的两个第I激光脉冲LPl的射束入射区域40彼此部分重叠。两者的重叠率Wo/Wt例如为50%。
[0075]在图3A中示出的时刻tl，如果第I激光脉冲LPl开始入射，则半导体基板50的第2面50B (图2B)的表层部的温度开始上升。在时刻t2的时点，半导体基板50的第2面50B的温度未达到非晶硅的熔点(1300K?1430K)。在时刻t2，如果使第2激光脉冲LP2 A射，则半导体基板50的第2面50B的表层部的温度达到非晶硅的熔点，表层部熔融。熔融的部分达到高浓度层57a (图2B)的底面为止。
[0076]如果第2激光脉冲LP2的入射结束，则半导体基板50的表层部的温度下降并固化。此时，结晶从单晶的低浓度层56a (图2B)开始外延成长，由此高浓度层57a成为单晶。与此同时，注入到高浓度层57a的杂质被活性化。和图8A所示的例子相同，由峰值功率较高且脉冲宽度较短的第2激光脉冲LP2 (图3A)产生熔融及固化，因此能够抑制固化后的半导体基板50的表面粗糙度增大。
[0077]在时刻t3之后，第I激光脉冲LPl (图3A)仍继续入射，因此从半导体基板50的第2面50B到较深的低浓度层56a被加热且温度上升。从而注入到低浓度层56a (图2B)的杂质被活性化。在时刻t4，第I激光脉冲LPl的入射结束的时点，半导体基板50的第2面50B的温度未达到单晶硅的熔点。因此再结晶后的半导体基板50的第2面50B的表层部不会再次熔融。半导体基板50的表层部不会因峰值功率低且脉冲宽度长的第I激光脉冲LPl (图3A)的入射而熔融。因此不会像图SB的示例那样半导体基板50的表面粗糙度增大。
[0078]为了得到上述效果，优选将第I激光脉冲LPl的脉冲宽度PWl设为5 y s以上。优选将第2激光脉冲LP2的脉冲宽度PW2设为I ii s以下。并且当第I激光脉冲LPl的脉冲波形与图3A不同，激光强度的输出不恒定的情况下，优选将脉冲宽度PWl以半峰全宽(FWHM)设为IOy s以上。但是使激光强度只是瞬间急剧地增强的情况下，以峰值强度的半值就有可能不能正确地表示脉冲宽度，因此这种情况下的脉冲宽度也可以设为平均强度的半峰全宽。
[0079]图3B中，使半导体基板50的表面上的第I激光脉冲LPl的入射区域40和第2激光脉冲LP2的入射区域40大致一致，但是不需要一定使两者一致。如图3C所示，也可以使第I激光脉冲LPl的入射区域40A比第2激光脉冲LP2的入射区域40B稍微大。此时，第2激光脉冲LP2的入射区域40B包含在第I激光脉冲LPl的入射区域40A中。
[0080]在设为第I激光脉冲LPl的入射区域40A和第2激光脉冲LP2的入射区域40B面积相等而使两者一致的结构的情况下，相对于两者的光轴偏离的冗余(余量)几乎消失。如图3C所示，如果使第I激光脉冲LPl的入射区域40A大于第2激光脉冲LP2的入射区域40B,即使两者的光轴偏离，只要偏离量小，则第2激光脉冲LP2的入射区域40B就会收敛在第I激光脉冲LPl的入射区域40A的内侧。因此能够增大光轴对准冗余(余量)。
[0081]在第I激光脉冲LPl的入射区域40A和第2激光脉冲LP2的入射区域40B重叠的区域，进行高浓度层57a和低浓度层56a (图2B)的杂质的活性化。如果第I激光脉冲LPl的入射区域40A相对于第2激光脉冲LP2的入射区域40B过大，则第I激光脉冲LPl的重叠率变得过高，会造成浪费。第I激光脉冲LPl的重叠率优选为50%以上。第2激光脉冲必需以在时间轴上相邻的两次发射的入射区域之间无间隙的方式进行照射。鉴于上述要求且为了减少造成照射浪费的能量，优选将第2激光脉冲LP2的入射区域40B的面积设为第I激光脉冲LPl的入射区域40A面积的50%?100%。
[0082]并且，为了到半导体基板50的较深区域为止使温度上升，优选在半导体基板50的表层部不熔融的条件下，将第I激光脉冲LPl的脉冲能量密度设为较大。基于实施例的方法，在图3A中示出的时刻t3，半导体基板50的表层部被结晶化。此时发现表层部与呈非晶化状态的情况相比难以发生熔融。从而，即使是对半导体基板只照射第I激光脉冲LPl就使非晶化层熔融的条件下，在表层部在已被结晶化的情况下也不会发生熔融。因此能够增大第I激光脉冲LPl的脉冲能量密度，而且能够加热至半导体基板50的较深区域。
[0083]接着，参照图4A?图7C，说明在不同的激光照射条件下进行模拟的结果。图4A、图5A、图6A、及图7A表示第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2的入射定时及脉冲波形。图4B、图5B、图6B、及图7B表示分别在图4A、图5A、图6A、及图7A中示出的条件下进行退火时基板熔融深度的时间变动。评价对象基板为单晶硅基板。图4C、图5C、图6C、及图7C表示分别在图4A、图5A、图6A、及图7A中示出的条件下进行退火时基板的温度变化。作为基板温度，表示的是深度为0iim、liim、2iim、3iim、4iim、5iim以及IOOiim位置的温度。
[0084]在任一激光照射条件下，第I激光脉冲LPl的脉冲宽度PWl以及第2激光脉冲的脉冲宽度PW2 (图3A)分别设为15ii s以及150ns。第2激光脉冲的脉冲能量密度的大小设为使得硅基板熔融部分的深度约为0.3 ii m。该0.3 ii m的深度值是假定熔融至图2B所示的高浓度层57a的底面而决定。第I激光脉冲LPl的功率密度的大小设为，使得硅基板的5 u m深度位置的温度在第I激光脉冲LPl的入射结束时点成为1200K以上。
[0085]在图4A的示例中，使得第2激光脉冲LP2的入射开始时刻与第I激光脉冲LPl的入射开始时刻一致。在图5A的示例中，在从开始第I激光脉冲LPl入射的时点起经过5 u s的时点，使第2激光脉冲LP2入射。在图6A的示例中，在从开始第I激光脉冲LPl入射的时点起经过IOy s的时点，使第2激光脉冲LP2入射。在图7A的示例中，在从开始第I激光脉冲LPl入射的时点起经过15 ii s的时点，即，停止第I激光脉冲LPl入射的时点，使第2激光脉冲LP2入射。
[0086]如图4B、图5B、图6B、图7B所示，在任一退火条件下，硅基板熔融的部分的深度约为0.3 ii m。但是图4A、图5A、图6A、图7A的退火条件下的第2激光脉冲LP2的脉冲能量密度分别为2.7J/cm2,2.0J/cm2、l.4J/cm2,0.8J/cm20如果第2激光脉冲LP2的入射时间延迟，则会受益于因第I激光脉冲LPl的入射而使基板温度上升的影响。因此熔融至0.3 y m深度所需的第2激光脉冲LP2的脉冲能量密度降低。
[0087]在图4A?图4C的示例中，基板表层部通过第2激光脉冲LP2的入射而熔融之后被单晶化。在第I激光脉冲LPl停止入射时点，基板表面的温度超过非晶硅的熔点(图4C)，但是由于在该时点表层部被单晶化，因此表层部不发生再次熔融。由于不发生基于第I激光脉冲LPl的入射引起的熔融，因此能够抑制基板的表面粗糙度增大。但是为了通过第2激光脉冲LP2而熔融至深度0.3 ii m的位置，必需将第2激光脉冲LP2的脉冲能量密度增加到2.7J/cm2程度。由于利用一般的固体激光振荡器难以确保如此高的脉冲能量密度，因此必须准备多台固体激光振荡器。
[0088]在图5A?图5C的示例中，基板表层部也是通过第2激光脉冲LP2的入射而被单晶化。在第I激光脉冲LPl停止入射时点，基板表面的温度超过非晶硅的熔点(图5C)，但是表层部已单晶化，因此表层部不发生再次熔融。在第2激光脉冲LP2入射的时点，基板温度通过第I激光脉冲LPl而上升。因此为熔融至深度0.3 y m的位置所需要的第2激光脉冲LP2的脉冲能量密度为2.0J/cm2，与图4A?图4C的退火条件的例子相比更低。
[0089]在图6A?图6C的示例中，基板表层部也通过第2激光脉冲LP2的入射而单晶化。在第I激光脉冲LPl停止入射时点，基板表面的温度超过非晶硅的熔点(图6C)，但是表层部不发生再次熔融。并且熔融至深度0.3 y m的位置所需的第2激光脉冲LP2的脉冲能量密度为1.4J/cm2，与图5A?图5C的退火条件的例子相比较低。
[0090]在图7A?图7C的示例中，如图7C所示，在经过时间11?12ii s的时点，基板的表面温度超过非晶硅的熔点。直到该时点，由于不进行第2激光脉冲LP2的入射，因此原来的基板表层部被非晶化的情况下，表层部熔融。因此如图8B所示，固化后的基板的表面粗糙度增大。在停止第I激光脉冲LPl入射的同时使第2激光脉冲LP2入射，由此基板表层部熔融。然而熔融的部分的深度最大为0.3 Pm。如图SB所示，通过第I激光脉冲LPl而产生的表面的均方根粗糙度为16nm?18nm。照这样就会呈残留有粗糙度的状态，因此通过第2激光脉冲LP2使得自表面到0.3 y m左右的较浅的区域再次熔融。
[0091]然而，优选的条件为通过第I激光脉冲LPl使较深的区域活性化，此时实际上较浅的区域没有熔融。并且通过第2激光脉冲LP2使较浅的区域熔融。由此使表面变得不粗糙，就能够使较浅区域和较深区域(非晶区域)这两个区域被活性化。
[0092]并且，从上述模拟结果，尤其能够考虑到如下几点。
[0093](I)在第I激光脉冲LPl开始入射之后，使第2激光脉冲LP2入射，由此能够减小熔融至预定深度所需的第2激光脉冲LP2的脉冲能量密度。
[0094](2)在第I激光脉冲LPl入射期间中，在基板表面温度超过非晶硅的熔点之前使第2激光脉冲LP2入射，从而使基板表面熔融、冷却并结晶化，在该情况下，能够减小第2激光脉冲LP2的脉冲能量密度，而且之后即使通过第I激光脉冲LPl的入射也很难使基板表面再次熔融。因此不使表面粗糙度进一步增大就能够使较深区域的杂质活性化。
[0095](3)能够推断出在基板表层部通过第I激光脉冲LPl熔融且在该状态下使第2激光脉冲LP2入射的条件的情况下，希望使第2激光脉冲LP2的能量密度相对增大。这是因为在表层部的熔融状态中存在不均匀的情况下，可以考虑使表层部的温度统一上升。
[0096]图10表示半导体基板50的深度方向上的杂质浓度分布的一例。图10的横轴用单位“ U m”表示自半导体基板50的第2面50B的深度。图10的纵轴用单位“cm_3”和对数刻度来表示所添加的杂质浓度。
[0097]硼(B)的浓度在距离第2面50B为0.3 ii m的深度显示出最大值。并且磷(P)的浓度在距离第2面50B为1.8 iim的深度显示出最大值。磷(P)的浓度分布的裙部(尾部)从第2面50B起达到3 u m为止的深度。硼杂质浓度与磷杂质浓度相等的深度相当于高浓度层57a与低浓度层56a (图2B)之间的界面。
[0098]在相对较深的区域，例如超过I U m深度的区域，以相对低浓度添加的杂质(磷)通过脉冲宽度相对较长的第I激光脉冲LPl (图3A)而被活性化。在相对较浅的区域，例如在I U m以下深度的区域，以相对高浓度所添加的杂质(硼)通过脉冲宽度相对短的第2激光脉冲LP2 (图3A)而被活性化。第2激光脉冲LP2使半导体基板50熔融至比以高浓度进行杂质的离子注入而非晶化的区域更深的位置。入射区域40 (图3B)的半导体基板50通过第2激光脉冲LP2的照射而熔融。当熔融的区域固化时，从单晶区域产生液相外延成长。从而非晶化的区域进行再结晶以及杂质(硼)的活性化。
[0099]虽然例示出对相对较浅的高浓度层57a注入硼，对相对较深的低浓度层56a注入磷，但是在注入其他杂质的情况下，也能够进行相同的活性化。并且对高浓度层57a及低浓度层56a也可以注入相同的导电型杂质。作为一例，也可以对高浓度层57a及低浓度层56a这两层注入磷。在这个情况下，在较浅的区域形成高浓度的n型层，在较深的区域形成低浓度的n型层。
[0100]参照图11及图12，对基于第I激光脉冲LPl(图3A)的照射的较深的低浓度层56a(图2B)的杂质的活性化进行说明。
[0101]图11表示将第I激光脉冲LPl照射到硅晶片时的硅晶片的达到温度和脉冲宽度之间的关系的模拟结果。横轴用单位“ U s”来表示第I激光脉冲LPl的脉冲宽度PWUi轴用单位“K”来表示达到温度。将第I激光脉冲LPl的波长设为915nm。将第I激光脉冲LPl的照射条件设为硅晶片表面温度达到硅的熔点(约1690K)的条件。图11的实线a、b表示自硅晶片表面分别为3 iim及IOOiim深度位置的达到温度。
[0102]可知如果脉冲宽度较短，则热量难以传递至较深的区域。为了使3 深度位置的杂质活性化，脉冲宽度优选为5 ii s以上。如果脉冲宽度过长，则会导致在IOOiim左右深度的较深区域，即形成有元件结构的第I面50T (图2B)的温度升高。
[0103]图12表示深度方向的杂质浓度分布和退火后的载流子浓度分布。横轴用单位“ U m”来表示自硅晶片表面的深度，纵轴用单位“cm_3”来表示浓度。实线a表示在加速能量2MeV、剂量3X IO13CnT2的条件下进行离子注入时的磷浓度。该杂质浓度分布对应于低浓度层56a (图2B)的杂质浓度分布。实线b表示照射第I激光脉冲LPl之后的载流子浓度。激光照射是在脉冲宽度20 ii S、照射面上的功率密度为360kW/cm2的条件下进行。从图12示出的结果可确认，所注入杂质的约70%以上被活性化。
[0104]接着，参照图13A?图13C，对通过离子注入而被非晶化的区域的恢复进行说明。
[0105]图13A表示离子注入有磷的硅晶片表层部的剖面TEM图像。磷的离子注入是在加速能量lOOkeV、剂量2X IO15CnT2的条件下进行。该离子注入条件对应于针对高浓度层57a的杂质的离子注入条件。图13A中，被非晶化的区域用相对较浅的颜色来表示。
[0106]图13B表示照射第2激光脉冲LP2 (图3A)之后的硅晶片表层部的剖面TEM图像。作为第2激光脉冲LP2，使用了 Nd = YLF激光的二次谐波。第2激光脉冲LP2的照射是通过所谓的双脉冲法进行。I个激光脉冲的脉冲宽度为130ns，脉冲能量密度为1.6J/cm2，从第I次发射的激光脉冲的照射到第2次发射的激光脉冲照射为止的延迟时间为500ns。通过激光照射而熔融的区域中，从其下方的单晶区域产生外延成长，因此能够获得缺陷较少的优质的单晶层。
[0107]图13C表示照射第I激光脉冲LPl (图3A)之后的硅晶片表层部的剖面TEM图像。第I激光脉冲LPl的波长为808nm。第I激光脉冲LPl的照射是在脉冲宽度为40 y S，功率密度为300kW/cm2的条件下进行。在该照射条件下，硅晶片的表面不熔融。如果通过激光脉冲熔融至硅晶片的较深区域(图2B的低浓度层56a)，则高浓度层57a的杂质浓度分布被破坏。因此第I激光脉冲LPl的照射是在硅晶片不熔融的条件下进行。将不使硅晶片熔融就进行杂质的活性化的退火方法称作“非熔融退火”。与此相对，将使硅晶片暂时熔融的退火方法称作“熔融退火”。非熔融退火方法中，从被非晶化的区域的上表面及下表面开始进行结晶化。在厚度方向的大致中央，残留有非晶化状态的层。被结晶化的区域的结晶品质也比图13B的再结晶化区域的结晶品质差。
[0108]从图13A?图13C所示的剖面TEM图像可知，呈非晶化状态的高浓度层57a (图2B)，优选利用脉冲宽度相对短且峰值功率相对高的第2激光脉冲LP2 (图3A)进行熔融退火，并且使杂质活性化。
[0109]图14A表示的是利用基于实施例的方法进行激光退火时激光脉冲的时间波形的一例。横轴用单位“ y s”来表不自第I激光脉冲LPl上升起的经过时间，纵轴表不光强度。第I激光脉冲LPl的脉冲宽度为15ii S。在自第I激光脉冲LPl上升起经过14ii s的时点，第2激光脉冲LP2上升。第2激光脉冲LP2为Nd = YLF激光的二次谐波，其脉冲宽度为130nso
[0110]图14B表示对硅晶片照射图14A的第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2时的硅晶片的温度变化的模拟结果。横轴用单位“ U s”来表示经过时间，纵轴用单位“K”表示温度。图14B中的实线a?g表示自娃晶片表面的深度分别为0 ii m、l ii m、2 ii m、3 ii m、4 ii m、5 u m以及IOOiim位置的温度。
[0111]如果第I激光脉冲LPl开始照射，则硅晶片的温度上升。从开始照射起经过14y s的时点，硅晶片的表面温度达到接近硅的熔点的1660K。在该时点，硅晶片不熔融。如果照射第2激光脉冲LP2，则硅晶片的表面温度达到熔融，而且表层部熔融。
[0112]图14C表示硅晶片的熔融深度的时间变化模拟结果。横轴用单位“ U s”来表示经过时间，纵轴用单位“ U m”来表示熔融深度。可知通过第2激光脉冲LP2的照射熔融至约
0.3um的深度。被注入到比0.3 U m深度浅的区域的杂质，通过表层部的熔融及再结晶而被活性化。
[0113]如图14B所示，自第I激光脉冲LPl开始照射起经过约14 u s的时点，深度为5 U m位置的温度超过1200K。因此被注入到深度5 U m左右的未熔融区域的杂质通过固相扩散而被活性化。
[0114]图15表示从第I激光脉冲LPl下降时刻t4起到第2激光脉冲LP2上升时刻t2的经过时间t2-t4、与使硅晶片熔融时所需的第2激光脉冲LP2的通量(fluence)之间的关系。从时刻t4到时刻t2的延迟时间标记为td。横轴用单位“ y s”表示延迟时间td。在延迟时间td为负的区域，第2激光脉冲LP2在第I激光脉冲LPl下降时刻t4之前上升。图15的左纵轴用单位“J/cm2”来表示第2激光脉冲LP2的通量，右纵轴用单位“W”来表示第2激光脉冲LP2的功率。
[0115]图15中示出的实线a表示硅晶片的0.3 iim深度位置发生熔融条件下的第2激光脉冲LP2的通量模拟结果。实线b表示硅晶片的最表面熔融条件下的第2激光脉冲LP2的通量模拟结果。延迟时间td变化时，两者的增减趋势几乎相等。图15中示出的四角记号表示硅晶片的最表面熔融时第2激光脉冲LP2的功率的实测值。第I激光脉冲LPl的入射区域40 (图3B)的面积以及脉冲宽度恒定，因此通过以常数与第2激光脉冲LP2的功率相乘，能够换算出通量。如图15所示，模拟结果与实际的实验结果非常匹配。
[0116]横轴的原点(td=0)与第I激光脉冲LPl的下降的同时第2激光脉冲LP2上升的照射条件相对应。
[0117]将第I激光脉冲LPl的脉冲宽度设为25 ii S，将硅晶片表面的功率密度设为310kW/cm2。延迟时间td为-25 ii s的位置与第I激光脉冲LPl的上升的同时第2激光脉冲LP2上升的照射条件相对应。
[0118]如果使延迟时间td从-25 ii s向0 ii s延长(使第2激光脉冲LP2的上升时刻t2接近第I激光脉冲LPl的下降时刻t4)，则熔融硅晶片所需的第2激光脉冲LP2的通量下降。这是因为在第2激光脉冲LP2的入射时点，硅晶片通过第I激光脉冲LPl而被预热。在延迟时间td=0的附近，熔融硅晶片所需的第2激光脉冲LP2的通量显示出最小值。
[0119]随着延迟时间td从0开始延长，熔融硅晶片所需的第2激光脉冲LP2的通量增加。这是因为在第I激光脉冲LPl下降时刻t4之后，硅晶片的温度下降(预热效果降低)。
[0120]从图15示出的模拟结果以及实验结果可知，通过调节第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2的照射定时，能够减小熔融硅晶片所需的第2激光脉冲LP2的通量。换言之，如果入射区域40 (图3B)的面积恒定，则作为第2激光脉冲LP2用的固体激光振荡器31 (图1)，能够使用输出较小的固体激光振荡器。如果固体激光振荡器31的输出恒定，则能够使入射区域40的面积增大。
[0121]参照图16及图17，对基于实施例的活性化方法的效果进行说明。对硅晶片注入作为杂质的磷(P)，并利用基于实施例的方法进行活性化退火进行了评价实验。
[0122]图16及图17表示活性化退火之前的杂质浓度分布及活性化退火后的载流子浓度分布的测定结果。横轴用单位“Pm”表示深度，纵轴用单位“cm—3”表示浓度。图16及图17的虚线表示在进行活性化退火之前的杂质浓度分布。作为半导体基板，使用单晶硅基板，将磷(P)作为注入杂质。在深度0.2 iim以及1.8 iim的位置，杂质浓度显示出最大值。从表面到0.3 ii m深度的较浅区域对应于高浓度层57a(图2B)，从0.3 y m到约4 y m深度的较深区域对应于低浓度层56a (图2B)。评价实验中，作为较浅的高浓度层57a及较深的低浓度层56a的杂质都采用了磷，但是作为高浓度层57a及低浓度层56a的杂质，可以分别采用p型及n型杂质，基于活性化退火的活性化率显示出与基于评价实验的结果大致相等的趋势。
[0123]在评价实验中，将第I激光脉冲LPl的脉冲宽度设为25 iim，将功率密度设为310kW/cm2。将第2激光脉冲LP2的脉冲宽度设为0.15 y m。第2激光脉冲LP2的通量设为图15中示出的熔融深度成为0.3iim的条件。
[0124]图16表不在与第I激光脉冲LPl下降时刻t4同时、或者在时刻t4之后第2激光脉冲LP2上升的条件下进行了活性化退火的结果。将从第I激光脉冲LPl的下降时刻t4到第2激光脉冲LP2的上升时刻t2为止的延迟时间td设为0 ii s、2 ii s、5 ii s以及10 ii S。
[0125]图17表示在第I激光脉冲LPl的下降时刻t4之前，第2激光脉冲LP2上升的条件下进行活性化退火的结果。从第I激光脉冲LPl的下降时刻t4到第2激光脉冲LP2上升时刻t2为止的延迟时间td成为负值。将从第I激光脉冲LPl的下降时刻t4到第2激光脉冲LP2的上升时刻t2为止的延迟时间td设为-3 u s,-8u S、-13 u s以及-18 y S。
[0126]如图16及图17所示，可知延迟时间td在-18ii s?IOii s的范围内，在较浅的区域(对应于高浓度层57a的区域)以及较深的区域(对应于低浓度层56a)都进行了充分的活性化。在比0.3 i! m的深度更浅的区域，高浓度层57a通过第2激光脉冲LP2的照射而暂时熔融，之后固化时杂质被活性化。
[0127]第I激光脉冲LPl的微秒级脉冲宽度与电炉中进行的退火时间相比明显短。因此为了进行充分的活性化，需要比通过电炉进行退火时更高的温度。如果硅的温度超过约1200K，即使是微秒级脉冲宽度(加热时间)，也开始发生杂质的活性化。如图14B中示出的模拟结果，当深度为I U m~5 y m的区域的温度由于第I激光脉冲LPl的照射而超过1200K时，通过第I激光脉冲LPl的照射，直到5 深度的较深区域被进行活性化。从图16及图17所示的评价实验结果能够确认，在比0.3 ii m更深的4 u m左右为止的区域中，杂质通过第I激光脉冲LPl的照射而被活性化。
[0128]如果使第I激光脉冲LPl的脉冲宽度延长，则温度达到1200K的区域变得更深。从而欲在直到更深的区域进行杂质的活性化的情况下，只要延长第I激光脉冲LPl的脉冲宽度即可。第I激光脉冲LPl的脉冲宽度由被活性化的目标深度来确定。为了使直到较深的区域也被活性化而延长第I激光脉冲LPl的脉冲宽度时，优选以不使半导体基板的表面熔融的方式降低功率密度。接着，对于不优选用第I激光脉冲LPl来熔融半导体基板表面的理由进行说明。
[0129]通过脉冲宽度较短的第2激光脉冲LP2的照射来使半导体基板的表层部熔融的情况下，半导体基板的表层部的温度急剧上升，因此在激光脉冲入射区域的几乎整个区域几乎同时开始熔融。如果照射脉冲宽度较长的第I激光脉冲LP1，则如图14B所示，基板温度逐渐上升。如果在入射区域40 (图3B)内存在温度不均，则在入射区域40内，已熔融的区域和未熔融的区域混在一起。如果已熔融的区域和未熔融的区域混杂在一起，则固化后在半导体基板的表面上出现凹凸。为了维持半导体基板表层部的较高的结晶品质，第I激光脉冲LPl的照射条件优选为不使半导体基板表面熔融的条件。
[0130]接着，对于较浅的高浓度层57a (图2B)和较深的低浓度层56a (图2B)进行活性化退火时的，第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2的入射定时的优选条件进行说明。如图16及图17所示，能够确认在 第I 激光脉冲LPl的脉冲宽度为25 ii s时，延迟时间td在-18 ii s~10 ii s的范围内 能够进行充分的活性化。
[0131]当以PWl表示第I激光脉冲LPl的脉冲宽度，以t4表示所述第I激光脉冲下降时刻，以t2表示所述第2激光脉冲上升的时刻时，通过评价试验能够确认在-0.7 X PWl≤t2-t4≤0.4 X PWl的范围内进行良好的活性化。即使第I激光脉冲LPl的脉冲宽度发生变化，从第I激光脉冲LPl上升到下降期间的基板温度的变化显示出相同的趋势。从而在第I激光脉冲LPl的下降时刻t4之前的时刻t2，第2激光脉冲LP2上升的情况下，即使第I激光脉冲LPl的脉冲宽度发生变化，也可以认为在-0.7XPW1≤t2-t4 ( 0的范围内能够进行良好的活性化。
[0132]在第I激光脉冲LPl下降时刻t4之后的时刻t2，第2激光脉冲LP2上升的情况下，通过调整第2激光脉冲LP2的通量，能够进行良好的再结晶以及活性化。然而如图15所示，如果延迟时间td=t2-t4变长,则必需加大第2激光脉冲LP2的通量。并且如果延迟时间td延长过度，则不能忽略从第I激光脉冲LPl下降时刻t4到第2激光脉冲LP2上升时刻t2为止的半导体基板的移动距离。即相对于图3C所示的第I激光脉冲LPl的入射区域40A，第2激光脉冲LP2的入射区域40B在Y方向上变位。为了使第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2入射到实际相同的区域，延迟时间td=t2-t4优选为第I激光脉冲LPl的脉冲重复周期的1/10以下。即当利用T来表示第I激光脉冲LPl的脉冲重复周期时，优选设为 t2-t4 ( T/10。
[0133]图18A表示当利用第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2在半导体基板(硅晶片)50的整个表面区域进行退火时的扫描路径的一例。如图1所示，固定激光束的路径，使第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2周期性地入射于半导体基板50的同时，使载物台41移动。由此半导体基板50的表面由第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2来进行扫描。将主扫描方向设为Y方向，副扫描方向设为X方向。在Y方向(主扫描方向)上进行往返扫描。
[0134]参照图18B及图18C，对基于比较例所涉及的退火方法进行说明。在比较例中，将连续波(CW)激光束用作用于进行较深区域的活性化的第I激光束，将脉冲激光束用作用于进行较浅的区域的活性化的第2激光束。
[0135]图18B表示第I激光束的第I入射区域60A及第2激光束的第2入射区域60B的位置关系。两者在X方向上具有较长的长条形状。第2入射区域60B包含在第I入射区域60A的内侧。保持该位置关系，在Y轴的负方向对第I入射区域60A及第2入射区域60B进行扫描。如果着眼于半导体基板50的表面上的I点，从通过第I入射区域60A的前方边缘(图18B中右侧边缘)的时点到通过后方边缘(图18B中左侧边缘)的时点为止，照射第I激光束。第2激光束从其上升时点起到下降时点为止进行照射。
[0136]当着眼于半导体基板50的表面上的I点时，从第I激光束入射时刻tlO到第2激光束入射时刻til的经过时间，取决于第I入射区域60A与第2入射区域60B之间的位置关系。更具体地讲，取决于第I入射区域60A的右侧边缘与第2入射区域60B的边缘之间的间隔和扫描速度。
[0137]图18C表示在Y轴的正方向上对第I入射区域60A及第2入射区域60B进行扫描时的第I入射区域60A与第2入射区域60B之间的位置关系、以及照射于半导体基板50的表面上I点上的激光束照射定时。从第I激光束入射时刻tlO到第2激光束入射时刻til的经过时间，取决于第I入射区域60A的左侧边缘与第2入射区域60B的边缘之间的间隔和扫描速度。
[0138]如图18B及图18C所示，在向Y轴的负方向进行扫描时和向正方向进行扫描时，从第I激光束入射时刻tlO到第2激光束入射时刻til的经过时间不相同。与此相对，实施例中从第I激光脉冲LPl的入射时刻到第2激光脉冲LP2的入射时刻的经过时间，与两个激光脉冲入射区域的相对位置关系无关，而与第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2上升时刻的间隔一致。因此在向Y轴的正负任一方向进行扫描的情况下，从第I激光脉冲LPl入射时刻到第2激光脉冲LP2的入射时刻的经过时间相同。从而能够向Y方向进行往返扫描。通过进行往返扫描，能够缩短退火时间。并且不需要用去路和回路来调整第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2之间的路径的相对位置关系。因此不需要复杂的光学系统的调整机构。
[0139]在上述实施例中，如果第I激光脉冲LPl的波长过短，则激光能量在硅晶片的极浅的区域被吸收掉，难以有效地加热较深的区域。相反，如果第I激光脉冲LPl的波长过长，则激光能量不会被硅晶片吸收。为了用第I激光脉冲LPl有效地加热硅晶片的低浓度层56a(图2B)，优选将其波长设成550nm以上、950nm以下。[0140]波长为550nm的光一直侵入到娃基板的I U m左右的深度。因此如果将第I激光脉冲LPl的波长设为550nm就能够有效地加热至I U m深度的区域。比I y m深度更深的区域通过热传导而被加热。如果将第I激光脉冲LPl的波长设为650nm，就能够有效地加热至3 ii m左右深度的区域。如果将第I激光脉冲LPl的波长设为700nm，就能够有效地加热至5 ii m左右深度的区域。当硅基板的厚度为100 u m的情况下，如果第I激光脉冲LPl的波长比950nm长，则透过硅基板的激光能量增多。
[0141]为了使较深的低浓度层56a (图2B)的杂质被活性化，优选针对半导体基板50的第I激光脉冲LPl的光侵入长度设为比半导体基板50的第2面50B至低浓度层56a的底面的深度更长。并且为了减少透过半导体基板50的造成浪费的光能量，优选将第I激光脉冲LPl的光侵入长度设成比半导体基板50的厚度短。以满足上述光侵入长度的方式选择第I激光脉冲LPl的波长。这里的“光侵入长度”意味着光强度衰减至1/e的距离。
[0142]第I激光脉冲LPl的照射条件，具体而言，优选为脉冲宽度及功率密度不使半导体基板表面熔融且低浓度层56a内的杂质开始被活性化的条件。具体而言，优选为低浓度层56a的底面温度超过1200K的条件。
[0143]为了使硅晶片的高浓度层57a (图2B)有效地熔融，优选第2激光脉冲LP2含有容易被硅吸收的绿色波长成分。另外，由于第I激光脉冲LPl的预热效果，比绿色更长的波长的光也容易被硅吸收。从而也可以将第2激光脉冲LP2的波长设为波长为I U m左右的红外线区域。红外线区域波长的光侵入至硅基板的较深的区域，因此与将绿色波长区域的光用作第2激光脉冲LP2的情况相比，熔融至更深的区域。
[0144]上述实施例中，例举了 IGBT的制造，然而根据上述实施例的方法可适用于希望使半导体基板的一个表面的表层部的杂质活性化且抑制相反侧表面温度上升的半导体装置的制造。
[0145]以上根据实施例说明了本发明，但是本发明并不限定于此，例如本领域技术人员理所当然地能够进行各种变更、改良以及组合等。
【权利要求】
1.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，该半导体装置的制造方法为将照射条件不同的两种激光脉冲照射到具有高浓度层和低浓度层的半导体基板表面，以使所述高浓度层和所述低浓度层均被活性化的工序，其中所述高浓度层在半导体基板的较浅的区域以相对较高浓度注入有杂质而呈非晶化状态，所述低浓度层在比所述高浓度层更深的区域以相对较低浓度注入有杂质，所述半导体装置的制造方法具有: 第I工序，为了不使所述非晶化状态的高浓度层熔融就使低浓度层活性化，照射相对低峰值且脉冲宽度长的第I激光脉冲； 第2工序，为了使所述非晶化状态的高浓度层熔融而被活性化，照射相对高峰值且脉冲宽度短的第2激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 从所述第I工序开始到所述第I工序完成之前执行所述第2工序。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 所述第2工序的所述第2激光脉冲的照射条件为，使得所述高浓度层熔融之后固化并结晶化的条件。
4.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 所述第I工序的所述第I激光脉冲的照射条件为如下照射条件，即所述第2工序停止，不使所述高浓度层熔融之后固化并结晶化而成的表面熔融，照射所述第I激光脉冲而使所述低浓度层的杂质活性化。
5.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 所述第I激光脉冲的光源为半导体激光振荡器，所述第2激光脉冲的光源为射出二次谐波的固体激光振荡器。
6.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 在所述第I激光脉冲的脉冲波形中存在平坦部的情况下，平坦部的长度为5 y s以上，在不存在平坦部的情况下，脉冲波形的半峰全宽为IOu s以上，所述第2激光脉冲的脉冲宽度为I U s以下。
7.根据权利要求2或4所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 所述第2激光脉冲的照射条件为，当考虑第I激光脉冲的照射条件而使所述第2激光脉冲入射时所述非晶化状态的高浓度层熔融的大小。
8.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 所述第I激光脉冲的波长为950nm以下。
9.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 所述第2激光脉冲的入射区域配置在所述第I激光脉冲的入射区域内部，第2激光脉冲的入射区域面积在第I激光脉冲的入射区域面积的50%~100%的范围内。
10.根据权利要求9所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 所述第I激光脉冲的光源为半导体激光振荡器，所述第2激光脉冲的光源为固体激光振荡器， 以PWl来表示所述第I激光脉冲的脉冲宽度，以t4来表示所述第I激光脉冲下降时刻，以t2来表示所述第2激光脉冲的上升时刻，以T来表示第I激光脉冲重复的周期时， 在满足-0.7XPW1 ^ t2-t4 ( T/10的定时，使所述第I激光脉冲及所述第2激光脉冲入射到所述半导体基板。
11.根据权利要求9或10所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 所述第I激光脉冲的入射区域和所述第2激光脉冲的入射区域基本上一致。
12.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，包括: 在使所述半导体基板向与其表面平行的第I方向移动的同时，使所述第I激光脉冲和所述第2激光脉冲周期性地入射到所述半导体基板的所述表层部的工序； 在使所述半导体基板向与所述第I方向相反的方向移动的同时，使所述第I激光脉冲和所述第2激光脉冲周期性地入射到所述半导体基板的所述表层部的工序。
13. 根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 以对所述半导体基板的光侵入长度比从所述半导体基板的表面到所述低浓度层的底面为止的深度更长的方式，选择所述第I激光脉冲的波长。
14.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 以对所述半导体基板的光侵入长度比所述半导体基板的厚度更短的方式，选择所述第I激光脉冲的波长。
15.一种激光退火装置，其特征在于，具有: 第I激光振荡器，其射出脉冲激光束； 第2激光振荡器,其射出脉冲激光束，且所述第2激光振荡器射出的所述脉冲激光束的脉冲宽度比从所述第I激光振荡器射出的脉冲激光束的脉冲宽度短，峰值功率比从所述第I激光振荡器射出的脉冲激光束的峰值功率大； 传播光学系统，其使得从所述第I激光振荡器射出的脉冲激光束和从所述第2激光振荡器射出的脉冲激光束入射到作为退火对象的半导体基板表面的相同的区域； 控制装置，其对所述第I激光振荡器和所述第2激光振荡器的激光脉冲的射出定时进行控制， 在比所述第I激光振荡器开始射出第I激光脉冲更迟的时刻，所述控制装置使第2激光脉冲从所述第2激光振荡器射出，在所述第2激光脉冲停止入射之后，使所述第I激光脉冲停止射出。
【文档编号】H01L21/268GK103489764SQ201310233933
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年6月13日 优先权日:2012年6月13日
【发明者】樱木进, 若林直木 申请人:住友重机械工业株式会社